專利名稱：半導(dǎo)體器件及其制造方法
本申請(qǐng)是分案申請(qǐng)。原案申請(qǐng)日是為1994年2月15日，申請(qǐng)?zhí)枮?4103243.40。發(fā)明名稱為“半導(dǎo)體及其制造方法”。
本發(fā)明涉及薄膜器件，諸如薄膜絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體三級(jí)管(以下簡(jiǎn)稱之為“薄膜晶體管”或“TFT”)等半導(dǎo)體器件，及其制造方法。
用于諸如TFT等薄膜器件中的結(jié)晶硅半導(dǎo)體的薄膜在此之前所知是用下法制造的使用了電爐之類設(shè)備其溫度保持不低于600℃，經(jīng)12小時(shí)或更長(zhǎng)，使通過(guò)等離子體CVD(化學(xué)汽相沉積)或熱CVD形成非晶硅薄膜結(jié)晶化。具有足夠高品質(zhì)(例如優(yōu)異的場(chǎng)效應(yīng)遷移率及高可靠性)的結(jié)晶體硅半導(dǎo)體的薄膜只有在使非晶薄膜經(jīng)受更長(zhǎng)的時(shí)間的熱處理后才能獲得。
然而，這些為獲得結(jié)晶硅半導(dǎo)體薄膜的現(xiàn)有技術(shù)中的方法有許多問(wèn)題尚待解決。問(wèn)題之一是低生產(chǎn)率，使生產(chǎn)成本增加。例如，結(jié)晶化的步驟需要24小時(shí)，設(shè)一個(gè)基片的處理時(shí)間最好在2分鐘以內(nèi)，那么一次必需處理720個(gè)基片。然而，在普通的管式爐中一次可以處理的最大基片數(shù)限于50；在實(shí)際處理時(shí)只用一臺(tái)設(shè)備(反應(yīng)管)則可知一個(gè)基片要用30分鐘來(lái)完成處理。換言之，若要每塊基片在2分鐘內(nèi)完成反應(yīng)，則必需有至少15個(gè)反應(yīng)管。這表明，這種方法提高了投資費(fèi)用，因此增加了生產(chǎn)成本，因?yàn)橥顿Y折舊費(fèi)太大。
熱處理溫度是另一個(gè)要考慮的問(wèn)題。一般說(shuō)，一個(gè)TFT的制造使用了包括純氧化硅的石英玻璃基片或無(wú)堿硼酸鹽玻璃基片，如由Corning Incorporated公司制造的#7059玻璃基片(以下簡(jiǎn)稱之為“Corning # 7059基片”)。前一種基片有諸如優(yōu)異的抗熱性，可以用使用于半導(dǎo)體集成電路的慣用的晶片工藝同樣方式來(lái)處理。然而，它很貴，并且其價(jià)格隨基片面積增加而成指數(shù)地增加。所以，現(xiàn)在石英玻璃基片的應(yīng)用被限于面積相當(dāng)小的TFT集成電路。
另一方面，無(wú)堿硼硅酸鹽玻璃基片比起那些由石英玻璃制造的基片來(lái)說(shuō)是不貴的，但是，它們?cè)谄淇篃嵝苑矫嬗腥秉c(diǎn)。由于無(wú)堿玻璃基片在從550到650℃范圍的溫度下受到變形，特別是，由于容易買(mǎi)到的材料在低達(dá)600℃甚至更低的溫度就受到變形，任何在600℃以下的熱處理將在基片上造成不可逆的收縮和卷曲。這些變形特別明顯地出現(xiàn)在其對(duì)角線長(zhǎng)度超過(guò)10寸的基片上。因此，相信必需在溫度為550℃或更低的情形下完成硅半導(dǎo)體膜的熱處理，并且時(shí)間在4小時(shí)以內(nèi)，以降低總的生產(chǎn)成本。
鑒于上面所述的情形，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種半導(dǎo)體，其中上面的問(wèn)題已克服，并提供制造它的方法。本發(fā)明的另一目的是提供一種使用此種半導(dǎo)體制造半導(dǎo)體器件的方法。
本發(fā)明提供一種方法，其特征是它包括在一非晶硅膜上或者在一其上有不規(guī)則結(jié)晶體狀態(tài)可以被認(rèn)為是非晶的(例如，一種包括結(jié)晶部分和非晶部分混合的狀態(tài))膜上形成一層膜、粒子、簇、線，及類似物，它們含有鎳、鐵、鈷、鉑及鈀中至少一種；將此形成的結(jié)構(gòu)在溫度低于通常非晶硅的結(jié)晶溫度，最好低20到150℃，或者在溫度不高于通常用作基片的玻璃材料的玻璃化溫度下，例如在580℃或以下，進(jìn)行退火。


圖1(A)到1(C)圖示了從上面看的按本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例(例1)方法得到的各依次步驟中的結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖2(A-1)，2(A-2)，2(B)，2(C)及2(D)圖示了按本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的另一方法得到的各依次步驟中斷面結(jié)構(gòu)(選定結(jié)晶的步驟)示意圖；圖3表示了硅的結(jié)晶速率和結(jié)晶溫度之間的關(guān)系；圖4表示由一個(gè)例子獲得的結(jié)晶硅膜的拉曼散射波譜的結(jié)果；圖5表示由一個(gè)例子獲得的結(jié)晶硅膜的X射線衍射圖形；圖6(A-1)，6(A-2)，6(B)，6(C)和6(D)圖示了按本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施例制造半導(dǎo)體方法中獲得的各依次步驟中斷面結(jié)構(gòu)示意圖；圖7(A)到7(D)圖示了按本發(fā)明再一個(gè)實(shí)施例制造半導(dǎo)體方法中獲得的各依次步驟中斷面的結(jié)構(gòu)示意圖；以及圖8表示結(jié)晶硅膜中鎳的濃度分布。
通常建議的用于硅膜結(jié)晶化的方法包括從籽晶的固相外延生長(zhǎng)，使用結(jié)晶體島狀膜為核，如在JP-A-1-214110(術(shù)語(yǔ)“JP-A”在此處用來(lái)表示“未審查的公開(kāi)的日本專利申請(qǐng)”)中所公開(kāi)的。然而，發(fā)現(xiàn)在600℃或更低的溫度下實(shí)質(zhì)上沒(méi)有晶體生長(zhǎng)發(fā)生。在硅基材料的情況下一般其結(jié)晶化是這樣進(jìn)行的處在非晶態(tài)的分子鏈一旦被切斷，且其后建立的狀態(tài)中不發(fā)生切斷的分子之間的再結(jié)合，這些分子按結(jié)晶分子被組合成晶體的一部分。將一經(jīng)切斷的分子鏈保持住所必需的能量是相當(dāng)大的，因此，保持切斷的分子互相分開(kāi)的這一步驟是在結(jié)晶的反應(yīng)中的勢(shì)壘。此能量相當(dāng)于在約1000℃溫度下加熱幾分鐘時(shí)間，或者在約600℃溫度下加熱幾十小時(shí)。由于加熱時(shí)間成指數(shù)倍地取決于加熱溫度，發(fā)現(xiàn)實(shí)際上在溫度不高于600℃，特別是例如在500℃時(shí)實(shí)現(xiàn)結(jié)晶化是行不通的。固相外延結(jié)晶化的現(xiàn)有技術(shù)概念也不能提供此問(wèn)題的解決辦法。
本發(fā)明人等撇開(kāi)通常已建立的固相結(jié)晶理論考察了用催化反應(yīng)來(lái)降低前述方法的勢(shì)壘能量的方法。本發(fā)明人等注意到鎳(Ni)，鐵(Fe)，鈷(Co)，鉑(Pt)和鈀(Pd)與硅有好的親和力，所以它們可以容易地形成硅化物。對(duì)鎳的情形，與硅容易形成硅化鎳(NiSix；其中0.4≤X≤2.5)。并且，本發(fā)明人等注意到硅化鎳的晶格常數(shù)接近于硅的晶格常數(shù)。因此，三元結(jié)晶體硅-鎳硅化物非晶硅系統(tǒng)的自由能量被用來(lái)證明非晶硅容易和硅化鎳起反應(yīng)于相的邊界而按下式表示的化學(xué)反應(yīng)形成硅化鎳及結(jié)晶硅非晶硅(硅A)+硅化鎳(硅B)---→硅化鎳(硅A)+結(jié)晶硅(硅B)其中，硅A和硅B表示硅原子的位置。此反應(yīng)的勢(shì)壘是足夠地低，且反應(yīng)發(fā)生在低的溫度下。
上面反應(yīng)式表示的反應(yīng)提示了鎳原子將非晶硅變成結(jié)晶硅。實(shí)際上，反應(yīng)在溫度不高于580℃下開(kāi)始，甚至可以看到反應(yīng)發(fā)生于低到450℃的溫度。更典型地，結(jié)晶可以實(shí)現(xiàn)于低于通常非晶硅結(jié)晶溫度20到150℃的溫度下，當(dāng)然，隨結(jié)晶溫度升高結(jié)晶加快。這在圖3上可清楚地看到(此圖在下面的例子中要用到)。類似的結(jié)果在使用鉑(Pt)，鐵(Fe)，鈷(Co)或鈀(Pd)的情況中也能得到。
按本發(fā)明的方法，其特征是晶體的生長(zhǎng)是各向同性地在圓形范圍內(nèi)進(jìn)行。這是因?yàn)殒囋蛹捌漕愃莆锔飨蛲缘匾苿?dòng)，因此與通常的晶體沿晶體的晶格平面生長(zhǎng)這種結(jié)晶不同。
在按本發(fā)明的方法中，鎳、鐵、鈷、鉑或鈀，以粒層、粒子、簇等的形式或是純金屬或是硅化物，呈現(xiàn)為島狀、帶狀、線狀、或點(diǎn)狀形態(tài)，它可成為擴(kuò)展及延伸結(jié)晶區(qū)到其周?chē)糠秩サ某霭l(fā)點(diǎn)。
如上所述，在上法中獲得的結(jié)晶硅和由固相外延生長(zhǎng)獲得的通常的方法不同，它還有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)連續(xù)性及類似于單晶硅的晶體。所以由本法獲得的結(jié)晶硅適用于制造如TFT半導(dǎo)體器件。再者，發(fā)現(xiàn)了當(dāng)含有鎳、鐵、鈷、鉑或鈀的材料均勻分布在基片上時(shí)難以得到改進(jìn)了結(jié)晶度的薄膜，因?yàn)橛胁豢蓜贁?shù)的結(jié)晶例證。在用了含鎳、鐵、鈷、鉑或鈀的材料于復(fù)蓋全部表面的均勻薄膜中的情況和用了呈島狀、帶狀、線或點(diǎn)狀式樣的材料的情況之間的差異藉助于拉曼散射波譜和X射線衍射分析可清楚地觀察到。用這些分析方法證實(shí)了，優(yōu)良的結(jié)晶硅可按本發(fā)明的方法得到。
在本發(fā)明的結(jié)晶方法中被用作為原材料的非晶硅膜最好含氫濃度盡可能低。然而，由于氫從非晶硅膜中隨逐漸結(jié)晶而釋放的，在原來(lái)的非晶硅膜的氫濃度和由結(jié)晶取得的硅膜的氫濃度之間看不到清晰的關(guān)連關(guān)系。由按本發(fā)明方法獲得的結(jié)晶硅膜的氫濃度典型地處于1×1015個(gè)原子·cm-3到原子數(shù)的5％之間。依舊有優(yōu)良結(jié)晶度的硅膜可以用降低碳、氧、氮的濃度來(lái)得到，每一種濃度到1×1019cm-3或更低。所以，含鎳、鐵、鈷或鉑的材料必需考慮到這點(diǎn)進(jìn)行選擇。
上面的催化元素，即，鎳、鐵、鈷、鉑及鈀本身并不有利于硅。因此，它們的濃度最好盡可能抑制到最低。用SIMS(二次離子質(zhì)譜議)觀察，本發(fā)明人等通過(guò)深入研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)用于像TFT等半導(dǎo)體器件中的半導(dǎo)體的這些元素的濃度，從保證好的特性和可靠性觀點(diǎn)，最好控制在1×1015原子cm-3到1％原子范圍內(nèi)，更適宜在1×1015到1×1019原子cm-3范圍內(nèi)。假如催化金屬元素的濃度落在此范圍以下，就會(huì)沒(méi)有足夠的結(jié)晶出現(xiàn)。另一方面，濃度超出范圍，就將得到特性和可靠性都差的半導(dǎo)體。
因?yàn)楣杌囋诮Y(jié)晶的末端，作為由上面公式表示的反應(yīng)的結(jié)果，容易在氫氟酸或鹽酸中溶解，鎳可使用這些酸來(lái)處理而從基片中減少。
含鎳、鐵、鈷、鉑或鈀的物質(zhì)的膜可以用任何一種物理的或化學(xué)的方法來(lái)構(gòu)成。例如，使用真空設(shè)備的方法如汽相沉積、濺射、及CVD(化學(xué)汽相沉積)是可用的，或者在大氣中完成的方法、如旋涂、浸漬(被覆)、手術(shù)刀法、絲網(wǎng)印刷、及噴霧熱解等也是可用的。
特別是，旋涂或浸漬法可提供具有均勻厚度的膜，另外，所得的膜的濃度可以精確地控制。被用于以上方法的溶液包括那些將鎳、鐵、鈷、鉑或鈀的乙酸鹽、硝酸鹽、或羧酸鹽溶解或分散到諸如水、醇(低級(jí)醇或高級(jí)醇)的溶劑和可以是飽和烴的或不飽和烴的石油溶劑中而制成的。
不過(guò)，用了這樣的物質(zhì)后，恐怕含于鹽中的氧和碳可能擴(kuò)散進(jìn)硅膜，它們可能損害硅膜的半導(dǎo)體特性。因此，本發(fā)明人等使用熱解重量分析法及差值熱分析法(differential thermal analysis)進(jìn)行研究后得知，靠適當(dāng)選擇材料，這樣的添加物質(zhì)在450℃或以下的溫度下分解產(chǎn)生氧化物或元素，并且沒(méi)有這種物質(zhì)進(jìn)一步的擴(kuò)散，這種擴(kuò)散可能使它們移入硅膜。特別是，當(dāng)在諸如氮?dú)獾冗€原氣氛中分解時(shí)，乙酸鹽及硝酸鹽這類鹽類被發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生元素金屬于400℃或以下的溫度之下。發(fā)現(xiàn)這些鹽類首先通過(guò)在氧氣氣氛中分解產(chǎn)生氧化物，但最后對(duì)氧氣進(jìn)行脫吸時(shí)，這些鹽在高的溫度下產(chǎn)生元素金屬。
使用了由本發(fā)明方法制造的結(jié)晶硅膜于像TFT這類半導(dǎo)體器件中，可以看到結(jié)晶部分的末端不利于制作半導(dǎo)體器件。已如前述，這是因?yàn)閺亩鄠€(gè)出發(fā)點(diǎn)開(kāi)始的結(jié)晶前部在結(jié)晶部分的末端互相遇到一起，從而在結(jié)晶性方面出現(xiàn)大的晶粒邊界或不連續(xù)性的結(jié)晶。此外，這部分的鎳濃度是高的。所以，按本發(fā)明制造半導(dǎo)體器件的方法要求事先優(yōu)化半導(dǎo)體器件的圖形以及含鎳的被覆層的圖形，即予先優(yōu)化結(jié)晶的出發(fā)點(diǎn)。
本發(fā)明參閱下面的非限制性的例子來(lái)詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)該明白，本發(fā)明不能解釋為受其限制。例1本例涉及一種方法，用于形成多個(gè)島狀鎳膜于Corning #7059玻璃基片上，然后用這些膜為出發(fā)點(diǎn)使非晶硅膜結(jié)晶化。本例也提供一種方法，用于使用由上面得到的結(jié)晶硅膜來(lái)制造TFT。島狀鎳膜可以用二種方法中任何一個(gè)來(lái)形成；即將島狀鎳膜形成于非晶硅膜上，或非晶硅膜之下。圖2(A-1)表示提供島狀鎳膜于非晶硅膜之下的方法。圖2(A-2)表示將它們形成于非晶硅膜之上的方法。不過(guò)在后一方法中應(yīng)考慮到在非晶硅上形成的鎳膜的腐蝕是作為一個(gè)在構(gòu)成多層鎳膜之后的步驟而實(shí)行的。跟著來(lái)的是，盡管以很小的量，不希望的硅化鎳通過(guò)鎳和非晶硅之間的反應(yīng)而形成。因?yàn)槿绻杌嚤Ａ粼诠枘ど?，滿足本發(fā)明目的的有足夠高結(jié)晶度的硅膜就不能得到，殘留的硅化鎳必需用鹽酸、氫氟酸及類似的東西將它完全除去。從而得到比起原先沉積成的膜更薄的非晶硅膜。
無(wú)論如何，鎳或硅化鎳可以用兩種通常的已知的方法中任一種來(lái)制成圖形，即，一種是腐蝕法，包括在形成鎳膜后，用光刻法制成上光刻膠圖形，再將沒(méi)有被光刻膠蓋住的鎳膜部分腐蝕掉；另一種是剝離法，包括在鎳膜形成于其上之前，用光刻法制成光刻膠圖形，再除去下面的光刻膠以便有選擇地形成鎳膜。
關(guān)于圖2(A-1)的前一種方法沒(méi)有上述問(wèn)題。按此方法的過(guò)程，除了島狀部分以外的鎳膜也最好完全消除掉。進(jìn)而，基片被用氧等離子體或臭氧及其類似物來(lái)處理以氧化除了島狀區(qū)域以外的區(qū)域并抑制殘存的鎳的影響。
無(wú)論如何，兩種方法都包括用等離子體CVD在Corning # 7059基片1A上沉積有2000厚的氧化硅基膜1B，且非晶硅膜1被進(jìn)一步沉積在其上，厚度為200到3000，最好厚度在500到1500間。非晶膜可通過(guò)將此膜在350到450℃的溫度下退火0.1到2小時(shí)來(lái)從非晶膜中除去氫而使它更容易結(jié)晶。
在關(guān)于圖2(A-1)的過(guò)程中，形成非晶硅膜1之前，一層鎳膜被用濺射法沉積到厚度50到1000，最好為100到500。所得到的鎳膜刻制成島狀鎳區(qū)2。從上面看的最終結(jié)構(gòu)示于圖1(A)。
島狀鎳部分每一個(gè)都被做成2μm2見(jiàn)方尺寸且取相互之間距離為5到50μm，特別是，例如，為20μm。用硅化鎳代替鎳也可以得到類似的效果。還有，將基片在溫度范圍為100到500℃，最好范圍為180到250℃下加熱可以得到好結(jié)果。這歸結(jié)為增加氧化硅膜底部和鎳膜之間結(jié)合的緊密程度，還歸結(jié)為通過(guò)氧化硅和鎳之間的反應(yīng)而形成硅化鎳。用氮化硅、碳化硅、或硅代替氧化硅可得到相似的結(jié)果。
所得到的結(jié)構(gòu)在氮?dú)鈿夥罩袦囟确秶鸀?50到650℃，特別是，例如，為550℃退火8小時(shí)。加熱時(shí)的中間狀態(tài)示于圖2(B)。從圖2(B)可見(jiàn)鎳從位于圖2(A)端部的島狀鎳膜推進(jìn)到中央部分形成硅化鎳3A。并且，也可以看到鎳所經(jīng)過(guò)的部分3提供了結(jié)晶硅。所以，結(jié)晶完成于這樣一個(gè)點(diǎn)上，從兩個(gè)不同的島狀部分出發(fā)的最前沿在這個(gè)點(diǎn)處互相相遇，并在中心處留下殘留的硅化鎳3A，這示于圖2(C)。
圖4和圖5各給出了最后的結(jié)晶硅膜的拉曼散射波譜圖和X射線衍射圖。在圖4中標(biāo)以C-Si記號(hào)的曲線對(duì)應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)試樣的拉曼波譜，即單晶硅的波譜。曲線(a)和(b)分別表明按本發(fā)明方法得到的硅膜的拉曼波譜，和非結(jié)晶區(qū)的拉曼波譜。由此結(jié)果可清楚看到按本發(fā)明的方法可提供好的硅晶體。
圖1(B)給出到這一步為止所得到的結(jié)構(gòu)俯視圖。在圖2(C)中硅化鎳3A對(duì)應(yīng)于晶粒間界4。再繼續(xù)退火，鎳沿晶粒間界4移動(dòng)并集結(jié)在島狀部分的中間區(qū)域5，該島狀鎳部分全都由其起始形狀變形而成。
結(jié)晶硅可由以上描述的各步驟而獲得。然而，這不可取，因?yàn)榻Y(jié)晶硅有從由此形成的硅化鎳3A擴(kuò)散入半導(dǎo)體被覆層的鎳。所以，最好使用氫氟酸或鹽酸這一類，腐蝕劑腐蝕，因?yàn)檫@些酸不影響硅膜。由腐蝕后所得到的結(jié)構(gòu)示于圖2(D)。在原來(lái)晶粒間界的位置上有了一個(gè)槽4A。以這種方式形成半導(dǎo)體區(qū)域(有源層及其類似層)有槽存在于各半導(dǎo)體區(qū)域之間是不可取的。TFT配置的一個(gè)例子示于圖1(C)。另一方面，柵接線7可跨過(guò)晶粒間界。
非晶硅膜按以上的方法用2×2μm2鎳區(qū)作為出發(fā)區(qū)而進(jìn)行結(jié)晶。研究了結(jié)晶速率和退火溫度的關(guān)系。結(jié)晶速率這樣計(jì)算測(cè)定用于結(jié)晶前沿達(dá)到高鎳區(qū)10到50μm距離所必需的退火時(shí)間。其結(jié)果在圖3中作為一個(gè)例子給出。供比較其結(jié)果的有兩種非晶硅膜，一種厚度為500，另一種厚度為1500。當(dāng)然，結(jié)晶速率在退火溫度較高時(shí)也較高。結(jié)晶速率也和膜厚有關(guān)，增加膜厚結(jié)晶更容易發(fā)生。由于實(shí)際的半導(dǎo)體典型地有尺寸為50μm或以下，假如退火在5個(gè)小時(shí)內(nèi)完成，結(jié)晶速率至少必需20μm/小時(shí)。對(duì)厚度有1500的硅，從圖3讀得退火溫度至少應(yīng)在550℃或更高。例2本例涉及使用了描述于例1中的構(gòu)成制造結(jié)晶硅膜的方法，只是膜的結(jié)晶度進(jìn)一步用激光束在由加熱而使膜一開(kāi)始結(jié)晶就受輻照來(lái)改進(jìn)。除了激光輻照步驟以外，其他步驟和條件和例1中描述的一樣。圖6中的符號(hào)和數(shù)字與例1中所用的也對(duì)應(yīng)一樣。
參閱圖6，按本例制造半導(dǎo)體的方法各步驟在下面描述。步驟(A-1)到(B)和在例1中解釋的是一樣的。進(jìn)行了圖6(B)的步驟后，晶體可在橫向生長(zhǎng)，激光束照射它以便進(jìn)一步改善硅膜的結(jié)晶度。這樣，一種KrF激發(fā)元的激光器被操作將波長(zhǎng)248nm及脈寬20nsec的激光束照射于此前做成的結(jié)晶硅膜，以進(jìn)一步加速其結(jié)晶化。照射激光束輸出能量密度為200到400mJ/cm2，在本情況舉例為250mJ/cm2。在激光束輻照期間，基片加熱保持在150至400℃，更具體的如在200℃溫度下照射2次，以增強(qiáng)激光束輻照的效果。
除了上述KrF激發(fā)元激光器外可用的激光器包括那些從XeCl激發(fā)元激光器發(fā)生的工作在波長(zhǎng)308nm的激光以及從ArF激發(fā)元激光器發(fā)生的工作在波長(zhǎng)193nm的激光。另外，強(qiáng)光也可替代激光進(jìn)行輻照。特別是，應(yīng)用RTA(快速熱退火)包括紅外線輻照也是有效的，因?yàn)樗梢杂羞x擇地在短時(shí)間內(nèi)加熱硅膜。
由此，有好的結(jié)晶度的硅膜可以用上面說(shuō)的任何一種方法獲得。先前的作為加熱退火的結(jié)果得到的結(jié)晶區(qū)域3發(fā)現(xiàn)變成可進(jìn)一步改進(jìn)硅膜的結(jié)晶度。另一方面，在加熱退火時(shí)沒(méi)有結(jié)晶的區(qū)域(圖中未示出)發(fā)現(xiàn)由于激光照射的結(jié)果產(chǎn)生多晶膜。拉曼散射波譜圖展現(xiàn)硅膜有了改變，但由此得到的多晶膜的結(jié)晶度很差。進(jìn)而，用透射電子顯微鏡觀察展示了在受到激光照射的膜中形成的大量細(xì)晶體沒(méi)有因熱處理而使它結(jié)晶。與此相反，相對(duì)地大的定向結(jié)晶晶粒被發(fā)現(xiàn)構(gòu)成了按本發(fā)明獲得的經(jīng)熱退火和激光輻照的膜3。
在完成了激光照射后，對(duì)晶體生長(zhǎng)的前端3A用氫氟酸或鹽酸腐蝕。由腐蝕所得的結(jié)構(gòu)示于圖6(D)。
因而，TFT由加工成島狀形態(tài)的硅膜制出。在此TFT上觀察到明顯提高的器件特性。特別是，采用在例1中描述的結(jié)晶步驟獲得的N-溝道TFT得到場(chǎng)效應(yīng)遷移率為50到90cm2/vs，及閥值電壓為3到8V。這些數(shù)值和按本例制造的N-溝道TFT所得到的遷移率為150到200cm2/vs及閥值電壓為0.5到1.5V是明顯的對(duì)比。遷移率相當(dāng)大地提高，對(duì)閥值電壓的波動(dòng)也大大減少。
以前，前面所述的如此高水平的TFT特性必需通過(guò)激光結(jié)晶從非晶硅膜獲得。但是，由先有技術(shù)激光結(jié)晶獲得的硅膜使特性波動(dòng)。進(jìn)而，結(jié)晶過(guò)程要求照射的激光能量密度350mJ/cm2或更高，溫度在400℃或更高，因此它不適用于批量生產(chǎn)。與通常方法相反，按本例制造TFT的方法可在基片溫度和能量密度二者都低于相應(yīng)的通常方法的數(shù)值。因此，本發(fā)明方法適用于批量生產(chǎn)。進(jìn)而，由本方法獲得的器件質(zhì)量也與用加熱退火的通常固相生長(zhǎng)結(jié)晶法獲得的器件質(zhì)量一樣均勻。所以，可以穩(wěn)定地獲得均勻質(zhì)量的TFT。
在本發(fā)明中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鎳濃度低時(shí)結(jié)晶發(fā)生得不充分。然而，按照本例的方法使用激光照射可補(bǔ)償不充分的結(jié)晶。所以，甚至在鎳濃度低時(shí)也能滿意地獲得高質(zhì)量的TFT。這顯示含有低濃度鎳的器件可以實(shí)現(xiàn)，可以得到有優(yōu)異電穩(wěn)定性和可靠性的器件。例3本例涉及一種方法，用含有催化元素的溶液被覆非晶硅膜的上表面來(lái)將催化元素導(dǎo)入非晶膜，這種催化元素加速了非晶硅膜的結(jié)晶。在此例中。鎳被用作催化元素。本例除了導(dǎo)入鎳的方法外和在例1中描述的完全一樣以外。結(jié)晶步驟及隨后的各步驟和在例1中描述的一樣。相應(yīng)于圖1的從基片上面看到的結(jié)構(gòu)也和例1中的一樣。
圖7圖示了按本發(fā)明的順序步驟的制造過(guò)程。一層氧化硅膜1B作為基底被覆層沉積在10×10cm2見(jiàn)方的Corning # 7059玻璃基片1A上，進(jìn)而使1000厚度非晶硅膜1通過(guò)等離子體CVD法沉積在其上。
氧化硅膜13被沉積在所制得的非晶硅膜上達(dá)1200厚度，以提供一層掩膜。氧化硅膜13薄到500厚度可以被應(yīng)用而沒(méi)有任何問(wèn)題，通過(guò)采用較致密的膜層，可以將膜做得更薄。
所制得的氧化硅膜13用普通的光刻制成圖形的方法按需要制出圖形。然后，薄氧化硅膜12在氧氣氣氛中用紫外(UV)線照射沉積而成。特別是，氧化硅膜13用紫外線照射5分鐘制成。氧化硅膜12相信其厚度為20到50。
形成上述氧化硅膜，用下述涂復(fù)的溶液來(lái)改善圖形的可濕性。因此，將一份5ml的含100ppm重量鎳的乙酸鹽溶11滴在10×10cm2基片的表面上。旋涂器10在50rpm速率下運(yùn)轉(zhuǎn)10秒鐘使基片的全部表面上形成均勻的含水的膜層。旋涂器10在基片保持5分鐘之后再在2000rpm速率下另外再運(yùn)轉(zhuǎn)60秒進(jìn)行離心甩干。基片可以在旋涂器上承受速率為0到150rpm的轉(zhuǎn)動(dòng)。這一步驟示于圖7(A)。
在除去氧化硅掩膜13之后，所制成的結(jié)構(gòu)在氮?dú)鈿夥障率艿?50℃溫度的熱處理4小時(shí)使非晶硅膜1結(jié)晶。以這種方式，結(jié)晶可以沿橫向從鎳被導(dǎo)入的區(qū)域14擴(kuò)展到鎳未被導(dǎo)入的區(qū)域中去。
參閱圖7(B)，可見(jiàn)結(jié)晶是從直接導(dǎo)入鎳的區(qū)域14開(kāi)始的，且可見(jiàn)它橫向朝中央部分進(jìn)行的。結(jié)晶硅膜3以此方式獲得。在區(qū)域3A形成氮化硅，在那里晶體的生長(zhǎng)前沿互相相遇。
此后，氮化鎳的區(qū)域3A用氫氟酸或鹽酸除去。由腐蝕而得到的結(jié)構(gòu)示于圖7(D)。
在此區(qū)域中鎳的濃度的分布示于圖8。在完成了結(jié)晶的結(jié)晶硅膜中的鎳濃度用SIMS(二次離子質(zhì)譜儀)測(cè)出，證實(shí)了鎳直接導(dǎo)入的區(qū)域14的鎳濃度有比在圖8所示濃度還要高一個(gè)數(shù)量級(jí)或以上的值。
還可以用照射激光束或等效于它的強(qiáng)光，像前面例2中同樣的方式，來(lái)進(jìn)一步改進(jìn)上面獲得的結(jié)晶硅膜的結(jié)晶度。在例2的情況，膜的形態(tài)被激光照射所損害，因?yàn)楣杌嚨木Я?，大約從0.1到10μm，從有相當(dāng)高的鎳濃度的鎳膜中沉淀出來(lái)。然而，由于鎳膜的鎳濃度可以比在例1及2中所得到的低得多，硅化鎳的沉淀以及由此產(chǎn)生的粗糙表面可以避免發(fā)生。
示于圖8的鎳濃度可以用改變所涂復(fù)溶液的鎳濃度來(lái)加以控制。在本發(fā)明中，溶液中的鎳濃度未加以控制。在本發(fā)明中，溶液中的鎳濃度被調(diào)整到100ppm。不過(guò)已證實(shí)甚至當(dāng)濃度已降到10ppm結(jié)晶也發(fā)生。用含10ppm濃度的鎳的溶液，結(jié)晶以同樣的方式發(fā)生。在此情況，示于圖8的鎳濃度可進(jìn)一步降低一個(gè)數(shù)等級(jí)。可是，使用含鎳濃度過(guò)低的溶液縮短了沿橫向按箭頭指出的方向晶體生長(zhǎng)的距離，因此是不希望的。
乙酸鹽溶液在本例中被用作含催化元素的溶液。但是，其他可用的溶液包括選自各種各樣的含水溶液，以及含有機(jī)溶劑的溶液。催化元素不是必需作為一個(gè)化合物被包括，它可以簡(jiǎn)單地被分散在溶液中。
用于催化元素的溶劑可選自極性溶劑，即，水、醇、酸、及氨水。
當(dāng)鎳被用作催化元素時(shí)，鎳以鎳的化合物形式混入極性溶劑中。鎳的化合物分別選自溴化鎳，乙酸鎳，乙二酸鎳，碳酸鎳，氯化鎳，碘化鎳，硝酸鎳，硫酸鎳，甲酸鎳，乙酰丙酮化鎳，4-環(huán)乙基丁酸鎳，氧化鎳，和氫氧化鎳。
溶劑可選自下述非極性溶劑苯，甲苯，二甲苯，四氯化碳，氯仿，和乙醚。
在此情況中，鎳以鎳的化合物形式包含于溶液中，此化合物選自乙酰丙酮化鎳，及2-乙基己烷化鎳。
也可以在含催化元素的溶液中添加表面活性劑。表面活性劑溶液可增加溶液對(duì)氧化硅膜表面的粘附程度，并控制吸附性。表面活性劑可以予先加于要被覆的表面上。假如元素鎳被用作催化元素，則必需予先溶解于酸中以得到其溶液。
代替含完全溶解于溶液中的鎳的溶液，可用一種乳劑，即，一種包括分散介質(zhì)的材料，其中均勻分散金屬鎳粉末或鎳的化合物，也是可以用的。
也可以用鎳以外材料作為催化元素。
含非極性溶劑的溶液，即，2-乙基己烷化鎳的甲苯溶液可直接被用于非晶硅膜的表面上。在此情況下，可以用一種作為粘接劑的材料通常用來(lái)構(gòu)成保護(hù)層。但，過(guò)量應(yīng)用粘接劑反而干擾催化元素轉(zhuǎn)移進(jìn)入非晶硅中。
催化元素?fù)饺肴芤旱牧颗c溶液類型有關(guān)，以鎳來(lái)說(shuō)近似地有按重量為1到200ppm，最佳為按重量從1到50ppm。此添加物的范圍的決定要考慮結(jié)晶膜的鎳濃度及耐氫氟酸的情況。
如前所述，本發(fā)明可使非晶硅在甚至較低溫度在較短時(shí)間內(nèi)結(jié)晶方面創(chuàng)立新紀(jì)元。并且，本發(fā)明方法適用于批量生產(chǎn)，還有，它可以用最普通的儀器、設(shè)備、和方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此它是用于電子工業(yè)有希望和有利的方法。
特別是，例如，通常的固相生長(zhǎng)法要求退火步驟至少24小時(shí)?？紤]到每個(gè)基片處理時(shí)間最好是2分鐘，為使處理過(guò)程實(shí)際可行，必需要15個(gè)退火爐?？墒潜景l(fā)明可使過(guò)程在8小時(shí)內(nèi)完成，并且在最佳條件下過(guò)程甚至可以縮短到僅僅4小時(shí)或更少。這顯示了過(guò)程可以在上面計(jì)算的爐子數(shù)減少到只要6個(gè)或更少條件下完成。這使生產(chǎn)率提高，削減設(shè)備投資，因而降低基片生產(chǎn)費(fèi)用。所以，可以生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)的TFT，這也許可稱之為新要求。結(jié)果，本發(fā)明對(duì)工業(yè)是極為有益。
在本發(fā)明參閱專門(mén)的實(shí)施例作詳細(xì)描述時(shí)很清楚，對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)對(duì)之可作出各種變更及修改而不會(huì)偏離其精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，它包括一種有絕緣表面的基片；一種半導(dǎo)體膜，它包括形成于所述絕緣表面上的結(jié)晶硅，其中，所述半導(dǎo)體膜含有一種促進(jìn)硅結(jié)晶的金屬，其濃度不大于1原子％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述濃度是不大于1×1019原子/厘米3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述濃度是用第二離子質(zhì)子光譜進(jìn)行測(cè)定的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述半導(dǎo)體膜中碳、氮和氧中的各個(gè)濃度均不大于1×1019原子厘米-3。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述金屬選自Pt、Fe、Co和Pd。
6.一種半導(dǎo)體器件的制造方法，它包括以下的工序在一種基片的一個(gè)絕緣表面上形成一種含有非晶態(tài)硅的半導(dǎo)體膜；選擇性地形成含一種金屬的層，它與所述半導(dǎo)體膜的第一部分接觸；對(duì)所述半導(dǎo)體膜和含所述金屬的層進(jìn)行加熱，使所述半導(dǎo)體膜的結(jié)晶由所述第一部分進(jìn)行，并于第二部分結(jié)束，所述第二部分與第一部分是隔開(kāi)的，其中，當(dāng)結(jié)晶進(jìn)行時(shí)，所述金屬通過(guò)所述半導(dǎo)體膜擴(kuò)散；使已結(jié)晶的半導(dǎo)體膜的至少所述第一和第二部分脫開(kāi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述金屬選自Pt、Fe、Co和Pd。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述已結(jié)晶的半導(dǎo)體膜，在所述脫開(kāi)工序以后，含有一種促進(jìn)硅結(jié)晶的金屬，其濃度不大于1原子％。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述濃度不大于1×1019原子/厘米3。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述濃度是用第二離子質(zhì)譜儀測(cè)定的。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述含金屬的層通過(guò)噴濺而形成。
12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述含金屬的層通過(guò)涂敷一種含有所述金屬的溶液而形成。
全文摘要
本發(fā)明提供的半導(dǎo)體器件包括,有絕緣表面的基片、以及半導(dǎo)體膜,它包括絕緣表面上形成的結(jié)晶硅,半導(dǎo)體膜中含有促進(jìn)結(jié)晶的金屬,其濃度不大于1原子%。該半導(dǎo)體器件的制法包括:在基片的一絕緣表面上形成含非晶態(tài)硅的半導(dǎo)體膜;選擇地形成含一種金屬的層,它與半導(dǎo)體膜的第一部分接觸;對(duì)它們進(jìn)行加熱,使半導(dǎo)體膜由第一部分至第二部分結(jié)晶,金屬則通過(guò)半導(dǎo)體膜擴(kuò)散。將半導(dǎo)體膜的至少第一和第二部分隔離開(kāi)。
文檔編號(hào)H01L21/20GK1264180SQ0010094
公開(kāi)日2000年8月23日 申請(qǐng)日期1994年2月15日 優(yōu)先權(quán)日1993年2月15日
發(fā)明者張宏勇, 魚(yú)地秀貴, 高山徹, 山崎舜平, 竹村保彥 申請(qǐng)人:株式會(huì)社半導(dǎo)體能源研究所